一文了解氧化鋯陶瓷纖維

發(fā)布時間 | 2017-04-28 09:42 分類 | 粉體加工技術(shù) 點擊量 | 9477

干燥氧化鋯氧化鋁

導(dǎo)讀：陶瓷纖維具有耐高溫、熱穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率低、熱容小和耐機械震動等優(yōu)點，將陶瓷纖維應(yīng)用于連續(xù)加熱的高溫爐，可實現(xiàn)爐體結(jié)構(gòu)輕型化、大型化，有效節(jié)約能源，是理想的節(jié)能增效材料。

陶瓷纖維具有耐高溫、熱穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率低、熱容小和耐機械震動等優(yōu)點，將陶瓷纖維應(yīng)用于連續(xù)加熱的高溫爐，可實現(xiàn)爐體結(jié)構(gòu)輕型化、大型化，有效節(jié)約能源，是理想的節(jié)能增效材料。此外陶瓷纖維還具有絕緣、消音、抗氧化、耐油和耐水性能，施工方便，因此在冶金、建材、石油、化工、船舶、電力、航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

圖1 氧化鋯纖維和氧化鋯纖維掃描圖[3]

根據(jù)纖維的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)，陶瓷纖維可以分為非晶質(zhì)纖維和晶質(zhì)纖維。非晶質(zhì)類陶瓷纖維主要是由玻璃態(tài)物質(zhì)構(gòu)成，而晶質(zhì)陶瓷纖維一般為多晶態(tài)微觀結(jié)構(gòu)。人們最早開始關(guān)注的是氧化鋁纖維和莫來石纖維，后來發(fā)現(xiàn)氧化鋯纖維具有比硅鋁質(zhì)陶瓷纖維更為優(yōu)越的性能熔點高（2600℃）、抗氧化、耐腐蝕、熱傳導(dǎo)率低，在大氣中，2500℃時仍保持完整的纖維形態(tài)，因此，氧化鋯纖維及制品也被認為是極好的陶瓷纖維材料，用途廣泛。

1. 氧化鋯的基本性質(zhì)及晶型轉(zhuǎn)變

氧化鋯（ZrO₂）是高熔點的金屬氧化物，相對分子量為123.22，具有很高的熔點（2650℃）和化學(xué)惰性，氧化鋯不溶于水、硫酸、鹽酸和硝酸，加熱時微溶于氫氟酸和濃硫酸。因此可以用作為耐火材料。

純氧化鋯有三種同質(zhì)異形體：單斜相氧化鋯（m-ZrO₂）、四方相氧化鋯（t-ZrO₂）、立方相氧化鋯（c-ZrO₂）。三種晶型的氧化鋯密度分別為5.65g/cm³，6.10g/cm³和6.27g/cm³。這三種晶型在一定條件下，可以發(fā)生相互轉(zhuǎn)變。四方相ZrO₂與單斜相ZrO₂之間的相變稱為馬氏體相變，相變過程中發(fā)生的體積變化使得氧化鋯具有增韌效果。氧化鋯的三種晶型及轉(zhuǎn)變?nèi)缦滤荆?/span>

圖2 氧化鋯的三種晶型及轉(zhuǎn)變[3]

2. 氧化鋯纖維的制備

氧化鋯纖維具有非常優(yōu)良的耐高溫性能，世界各國都對氧化鋯纖維的研究與開發(fā)給予了極大的熱情，并研究出各種制備方法。但是由于氧化鋯的高熔點和熔體的低粘度特性，不能采用像硅酸鋁及高鋁陶瓷纖維那樣的熔融制絲法，而只能采用前驅(qū)體法來制造，主要有載體法、無機鹽法和溶膠凝膠法。

（一）載體法

載體法是將含鋯的無機鹽（如硝酸鋯、氧氯化鋯）水溶液通過浸漬進入人造絲等有機纖維或炭纖維等無機纖維之后，將這種“荷重前驅(qū)體纖維”置于特定的氣氛中進行熱解，待至碳化氫、碳部分分解后再進行熱處理（燒成），使載體纖維充分氧化，鋯鹽轉(zhuǎn)化成氧化鋯，最終獲得保持原纖維微觀結(jié)構(gòu)的氧化鋯纖維。

圖3 載體法制備氧化鋯纖維工藝流程圖[1]

（二）無機鹽法

無機鹽法是以水溶性鋯鹽為原料，加入一定量的水溶性高分子有機物制成混合液，過濾后加入穩(wěn)定劑，加熱濃縮到適當(dāng)?shù)恼扯龋?/span>100-350Pa），在特定的濕度和溫度條件下纖維化，纖維化可采用噴絲、拉絲和旋轉(zhuǎn)甩絲等方法，原纖維在一定溫度下干燥燒成后得到氧化鋯纖維。

圖4 無機鹽法制備氧化鋯纖維工藝流程圖[1]

（三）溶膠凝膠法

該法是以醋酸鋯（Zr(CH₃COO)₂）或鋯的醇鹽（如Zr(OCH₅)₄等）為原料，通過加水分解、蒸發(fā)、縮聚等制成一定粘度的氧化鋯溶膠紡絲液，采用與無機鹽法相同的纖維化方法制成凝膠纖維，干燥、熱處理制成氧化鋯纖維。

這種方法使一種比較可行的制備連續(xù)氧化鋯纖維的方法，但是設(shè)備要求高，拉絲過程控制比較困難，生產(chǎn)成本高。

3. 氧化鋯纖維的性能

（一）氧化鋯纖維的物理性能

表1 氧化鋯纖維的物理性能[1]

（二）氧化鋯纖維的高溫性能

氧化鋯纖維具有很好的高溫性能，在溫度高達2480℃時仍可保持其纖維形態(tài)，1400℃左右仍具有可繞性。氧化鋯纖維使用溫度可達氧化鋁的熔點以上，最高可達2200℃，氧化鋯纖維材料不僅適用于氧化氣氛，而且可在還原氣氛和真空下使用。氧化鋯纖維與其它陶瓷纖維（隔熱用）的高溫性能比較見表2。

表2氧化鋯纖維與其它陶瓷纖維的高溫性能比較[1]

（三）氧化鋯纖維的隔熱性能

氧化鋯是公認具有最低導(dǎo)熱系數(shù)的陶瓷材料之一，氧化鋯纖維的導(dǎo)熱性如同大多數(shù)陶瓷纖維一樣，主要取決其松散性，氧化鋯纖維的低密度提供了最有效的隔熱性能。幾種不同陶瓷纖維的導(dǎo)熱系數(shù)見表3。

表3 幾種不同陶瓷纖維的導(dǎo)熱系數(shù)[1]

4. 氧化鋯纖維的制品

（一）氧化鋯纖維氈

氧化鋯纖維氈是用有機短纖維經(jīng)針刺制成有機纖維氈為前驅(qū)體，浸漬鋯鹽溶液，經(jīng)熱處理而得到的具有原有機纖維氈形貌的氧化鋯纖維氈。氧化鋯纖維氈主要用于晶體生長爐的隔熱，在晶體生長爐中的使用溫度高達1920℃，仍保持纖維氈形態(tài)，起到了極好的隔熱作用。

圖5 氧化鋯纖維氈

（二）剛性氧化鋯纖維制品

剛性氧化鋯纖維制品是用氧化鋯纖維為原料，經(jīng)短切并加入低溫、高溫結(jié)合劑制成水性懸浮液，最后經(jīng)成型燒成而成。制品有氧化鋯纖維板、筒、罩、異型制品等，可機械加工。其制備工藝流程如下：

剛性氧化鋯纖維制品可用作航天器的前錐體、噴氣飛機、導(dǎo)彈等的絕熱材料和燒蝕材料，還可用于原子能、磁流體、熱離子、感應(yīng)爐、微波燒結(jié)等。

圖6 氧化鋯纖維板

（三）氧化鋯纖維紙

氧化鋯纖維紙是用氧化鋯纖維經(jīng)分散，加入粘接劑，必要時可加入其他纖維或晶須，經(jīng)抄紙工藝而制成。氧化鋯纖維紙主要用于堿性電池的隔膜，這是因為氧化鋯纖維具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和耐高溫性能。使用氧化鋯纖維紙作堿性電池隔膜比常用的石棉紙、玻纖紙及尼龍隔膜性能優(yōu)越，壽命長。